磁悬浮原理应用及发展

1、磁悬浮原理应用及发展一、磁悬浮技术简介磁悬浮技术的英文名称为magnetic suspension technique,它的定义是利用磁 场力使物体沿着一个轴或几个轴保持在一定位置的技术措施。磁悬浮系统是由转 子、传感器、控制器和执行器4个部分组成，其中执行器包括电磁铁和功率放大 器两部分。假设转子受到一个向下的扰动，就会偏离其参考位置，这时传感器检 测出转子偏离参考点的位移，作为控制器的微处理器将检测的位移变换成控制信 号，然后功率放大器将这一控制信号转换成控制电流，控制电流在执行磁铁中产 生磁力，从而驱动转子返回到原来平衡位置。因此，不论转子受到向下或向上的 扰动，转子始终能处于稳定的平衡

2、状态。由于磁悬浮不存在机械接触，因此具有下列优点：一是完全无磨损、无污染，可在真空和腐蚀性介质中长期使用；二是完全无机械摩擦，功耗小、噪声低、效率高，不需润滑和密封，可用于 高速工程，解决高速机械设计中润滑和能耗的问题。磁悬浮技术起步也是比较早的，它起源于德国，早在1922年德国工程师赫 尔曼肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车的专利。 1970年以后，随着世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力 以适应其经济发展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家 相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。1922年，德国赫尔曼肯佩尔提出的 电磁悬浮原理使得在

3、过去三四十年来，磁悬浮技术无论是车辆性能还是运行控制 技术，技术层面的多数难题都已经得到解决，研制的不少设备达到了最初设想 的技术水平。超导技术的发展以及设备制造工艺和系统建设水平的提高，使磁悬 浮技术的应用能力得到了更快的提升。按照线圈导体属性，磁悬浮技术可分为常导型和超导型；按照悬浮原理，磁 悬浮技术可分为电磁悬浮系统（EMS）和电动悬浮系统（EDS）。从原理上，磁 悬浮技术可分为/常导+ EMS0 （常导磁吸型）和/超导+ EDS0 （超导磁斥型）两 种主要模式。德国的TR技术采用/常导+ EMS0，而日本的ML技术采用/超导 + EDS0，他们分别代表了目前国际上两种比较接近实用水平的

4、磁悬浮运输技术。二、磁悬浮技术应用状况磁悬浮轴承磁悬浮轴承与磁悬浮列车是目前国内外研究较多的两类磁悬浮技术产品；而 在国外，目前磁悬浮轴承已经开始进入工业应用阶段。我国从20世纪80年代 开始研究磁悬浮轴承技术，现已取得了一定的研究成果。传统的磁悬浮轴承需要5个或10个非接触式位置传感器来检测转子的位移。 由于传感器的存在，使磁悬浮轴承系统的轴向尺寸变大、系统的动态性能降低， 而且成本高、可靠性低。由于受结构的限制，传感器不能装在磁悬浮轴承的中间， 使系统的控制方程相互耦合，导致控制器设计更为复杂。此外，由于传感器的价 格较高，导致磁悬浮轴承的售价很高，这大大限制了它在工业上的推广应用。因 此

5、，如何降低磁悬浮轴承的价格，一直是国际上的热点研究课题。近几年，结合 磁悬浮轴承和无传感器检测两大研究领域的最新研究成果，诞生了一个全新的研 究方向，即无传感器的磁悬浮轴承。它不需要设计专门的位移传感器，转子的位 移是根据电磁线圈上的电流和电压信号而得到的。这类磁悬浮轴承将使转子的轴 向尺寸变小、系统的动态性能和磁悬浮轴承的可靠性得到提高；这样磁悬浮轴承 的控制器将便于设计，价格也会显著下降。磁悬浮列车磁悬浮技术还主要应用于磁悬浮列车。磁悬浮列车有许多优点：列车在铁轨 上方悬浮运行，铁轨与车辆不接触，不但运行速度非常快，可以超过500千米/ 小时，而且运行平稳、舒适，易于实现自动控制；无噪音，

6、无有害的废气排出， 有利于环境保护；可以节省建设经费；运营、维护和耗能费用低。它是21世纪 理想的超级特别快车，世界各国都十分重视发展磁悬浮列车。目前，中国和日本、 德国、英、美等国都在积极研究这种车。日本的超导磁悬浮列车已经过载人试验， 即将进入实用阶段，运行时速可达500千米以上。虽然磁悬浮列车有许多优点，但它的缺点仍然值得注意，磁悬浮列车突然 情况下的制动能力不可靠，不如轮轨列车。在陆地上的交通工具没有轮子是很危 险的。要克服很大的惯性，只有通过轮子与轨道的制动力来克服。磁悬浮列车没 有轮子，如果突然停电，靠滑动摩擦是很危险的。此外，磁悬浮列车又是高架的， 发生事故时在5米高处救援很困难

7、，没有轮子，拖出事故现场困难；若区间停电， 其他车辆、吊机也很难靠近。磁悬浮系统在经济上也有很高的要求。磁悬浮系统单位运输能力的造价高于 轮轨系统.。作为发展中国家，我国中央政府、各级直属部门与多数地方政府的 财政预算能力总体上仍然是比较有限的，但部分经济发达地区已经具备建设磁悬 浮线路的能力。各国的论证经验表明：磁悬浮系统的自负盈亏能力是比较弱的， 各地区及政府部门对任何磁悬浮系统建造的决议应当考虑实施运营后进行经济 补贴的可能性及财政能力。因此，各城市在规划磁悬浮系统建设项目时必须要充 分考虑地区经济承载能力。磁悬浮工作台磁悬浮工作台也是磁悬浮技术主要应用之一。随着对加工和测量装备精度要

8、求的不断提高，有关长行程、超精密运动控制的研究引起了人们越来越多的兴趣。 已有研究表明，影响长行程、超精密运动控制精度的最主要因素是摩擦力非线性。 而磁悬浮正是一种实现长行程、超精密运动控制的较为理想的方式。磁悬浮工作 台的关键技术之一是电磁铁的结构和参数。由于只能使用电磁铁的吸引力，因此 在工作台的上方必须有电磁铁以平衡重力。一方面，在一定程度上会影响工作台 台面上工件的安放，这一问题只能通过将电磁铁的尺寸设计得尽量小而得到解 决；另一方面，电磁铁会有明显的静态功耗（铜损），由此而产生的热量对精密 系统的指标通常会造成严重的影响。要降低静态功耗，则设计又需要将电磁铁及 其绕组的尺寸尽量加大。

9、这两个相互矛盾的要求是磁悬浮工作台设计的主要问题 之一。其它应用磁悬浮技术的应用还有磁悬浮离心式鼓风机和磁悬浮潜水电泵等。磁悬浮离 心式鼓风机是风机的一种，它是将磁悬浮技术和高速电机技术融入传统风机之中 所形成的一种高效、节能、环保的新型鼓风机，广泛应用于工厂、矿井、隧道等 的通风；城市污水处理；风洞风源等工业项目中。磁悬浮潜水电泵是经多年实践 研制而成的专利产品，它实现了世界潜水电泵领域重大突破，有效解决了传统潜 水电泵的种种弊端：如转换效率偏低、耗电过高、扬程受限、轴承易损、检修频 繁等。广泛应用于工矿企业的供排水、农田灌溉及高原、山区供水等领域。三、磁悬浮技术发展展望虽然经过多年的研究工作，国内外对该项技术的研究都取得了很大的进展。 但是不论是在理论还是在产品化的过程中，该项技术都存在很多的难题，其中磁 悬浮列车的技术难题是悬浮与推进以及一套复杂的控制系统，它的实现需要运用 电子技术、电磁器件、直线电机、机械结构、计算机、材料以及系统分析等方面 的高技术成果。需要攻关的是组成系统的技术和实现工程化。最近美国科学家发 现有机塑料聚合物同时具有磁性和超导性能（10K以下）如果这种材料能进一步 提高超导温度，并代替金属磁体，将有助于超导磁悬浮列车的研究和实现远距离 运营线路的辅设。悬浮磁